Страница 112 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Как уменьшить вредное действие статического электричества?

Статическое электричество возникает в результате трения и разделения материалов, что приводит к накоплению электрических зарядов на поверхности диэлектриков или изолированных проводников. Это явление может быть не только неприятным (например, удар током от дверной ручки), но и опасным, так как искровой разряд может вызвать возгорание легковоспламеняющихся веществ или повредить чувствительные электронные компоненты. Для уменьшения вредного действия статического электричества применяют несколько основных методов, направленных либо на предотвращение накопления заряда, либо на его безопасный отвод.

Заземление

Это самый надежный и распространенный метод борьбы со статическим электричеством. Суть метода заключается в электрическом соединении объекта, на котором накапливается заряд, с землей с помощью проводника. Земля обладает огромной электрической емкостью, поэтому она может поглотить практически любой избыточный заряд, не изменяя при этом своего электрического потенциала (который условно принимается за ноль). В результате заряд стекает с объекта в землю, и он становится электрически нейтральным. Заземление обязательно применяется для топливных цистерн, самолетов при заправке, корпусов промышленного оборудования. В электронике для защиты компонентов от электростатического разряда (ESD) используются заземляющие антистатические браслеты и коврики.

Ответ: Заземление обеспечивает безопасный отвод накопившегося статического заряда в землю, предотвращая его накопление до опасных значений.

Увеличение влажности воздуха

Сухой воздух является хорошим изолятором и способствует накоплению статических зарядов. При повышении относительной влажности воздуха (оптимально 60–70%) на поверхностях предметов образуется тончайшая невидимая пленка воды. Эта пленка обладает небольшой электропроводностью, достаточной для того, чтобы статические заряды медленно стекали с поверхности, не накапливаясь. Именно поэтому проблема статического электричества острее стоит зимой, когда воздух в отапливаемых помещениях очень сухой. Для борьбы с этим явлением используют промышленные или бытовые увлажнители воздуха.

Ответ: Повышение влажности воздуха создает на поверхностях тонкую проводящую пленку влаги, которая способствует стеканию статических зарядов.

Использование антистатических средств и материалов

Этот подход направлен на предотвращение самого процесса накопления заряда.

Во-первых, можно использовать материалы, которые по своей природе плохо электризуются. Например, одежда из натуральных волокон (хлопок, лен) накапливает заряд значительно меньше, чем одежда из синтетики (полиэстер, акрил).

Во-вторых, применяются специальные антистатические вещества (антистатики). Ими могут быть спреи для одежды и ковров, которые создают на поверхности гигроскопичную (притягивающую влагу из воздуха) или проводящую пленку. Также антистатические добавки (например, частицы углерода) вводят в состав полимеров при изготовлении специальных напольных покрытий, тары для электроники или спецодежды.

Ответ: Использование материалов, слабо подверженных электризации, или обработка поверхностей антистатическими средствами предотвращает накопление заряда.

Ионизация воздуха

Этот высокотехнологичный метод заключается в насыщении воздуха в помещении положительными и отрицательными ионами с помощью специальных устройств — ионизаторов (или нейтрализаторов статического электричества). Когда на поверхности объекта накапливается статический заряд (например, положительный), он притягивает из воздуха ионы противоположного знака (отрицательные). В результате происходит рекомбинация зарядов и поверхность нейтрализуется. Этот метод незаменим там, где заземление невозможно или неэффективно, например, при работе с движущимися диэлектрическими материалами (бумага в типографии, пленка на производстве) или в "чистых комнатах" при сборке микроэлектроники.

Ответ: Ионизация воздуха обеспечивает нейтрализацию статического заряда на поверхности за счет притяжения ионов противоположного знака из воздуха.

2. Как увеличить полезное действие статического электричества?

Понятие «полезное действие» применительно к статическому электричеству следует понимать не как коэффициент полезного действия (кпд) в термодинамическом смысле, а как эффективность его практического применения. Статическое электричество используется во многих технологиях (ксерография, электростатическая покраска, очистка газов), и его «полезное действие» — это степень, с которой достигается желаемый результат (например, качество копии или чистота воздуха). Увеличить эту эффективность можно несколькими основными способами.

Основные способы увеличения полезного действия статического электричества:

• Увеличение величины накопленного заряда ($Q$).

  Сила электростатического взаимодействия прямо пропорциональна величине зарядов. Сила, действующая на заряженную частицу в электрическом поле, определяется формулой $F = qE$. Чем больше заряд $q$ на частице (например, капельке краски или частице тонера), тем сильнее она будет притягиваться к поверхности. Накопить больший заряд можно:

  • Используя материалы, находящиеся далеко друг от друга в трибоэлектрическом ряду. При их трении или контакте происходит более эффективное разделение зарядов.
  • Увеличивая площадь и силу контакта соприкасающихся поверхностей.
  • В устройствах вроде генератора Ван де Граафа — увеличивая скорость движения диэлектрической ленты, переносящей заряд.

• Увеличение напряженности электрического поля ($E$).

  Напряженность поля определяет силу, действующую на заряд. Увеличить напряженность можно:

  • Повышая разность потенциалов (напряжение) между электродами. Например, в электростатических фильтрах для очистки воздуха используют напряжение в десятки киловольт.
  • Оптимизируя геометрию электродов. Напряженность поля максимальна у поверхностей с малым радиусом кривизны (на остриях). Это свойство используется в ионизаторах и электростатических распылителях для создания коронного разряда, который эффективно заряжает частицы в воздухе или краску.

• Уменьшение утечки заряда.

  Статические заряды могут быстро стекать с наэлектризованных тел, особенно в проводящей среде. Чтобы сохранить заряд и использовать его, необходимо:

  • Использовать качественные изоляторы для крепления заряженных элементов конструкций.
  • Контролировать влажность воздуха. Сухой воздух является хорошим диэлектриком, тогда как влажный воздух способствует быстрой утечке заряда, так как молекулы воды, оседая на поверхностях, создают тончайшую проводящую пленку. Поэтому для усиления электростатических эффектов часто работают в условиях низкой влажности.

• Использование свойств окружающей среды.

  Электрическая прочность среды (ее способность выдерживать высокое напряжение без пробоя) играет ключевую роль. Чтобы достичь высоких напряжений без искрового разряда, который рассеивает накопленную энергию, можно:

  • Заполнить пространство между электродами газом с высокой электрической прочностью (например, элегазом — гексафторидом серы $SF_6$) и под высоким давлением. Это применяется в высоковольтных установках, включая некоторые модели генераторов Ван де Граафа.

Ответ: Чтобы увеличить полезное действие статического электричества, необходимо: 1) увеличивать величину накапливаемого заряда (например, за счет подбора материалов); 2) создавать электрические поля высокой напряженности (путем повышения напряжения или использования электродов-острий); 3) предотвращать утечку заряда (используя хорошие изоляторы и поддерживая низкую влажность воздуха); 4) повышать электрическую прочность среды для достижения более высоких напряжений без пробоя.

3. Приведите примеры проявления вредных свойств статического электричества.

3. Статическое электричество, несмотря на его кажущуюся безобидность в быту, может иметь серьезные вредные проявления, особенно в промышленности и технике. Вот несколько примеров:

• Опасность взрыва и пожара: Накопление статического заряда на объектах может привести к искровому разряду. В средах, где присутствуют легковоспламеняющиеся газы, пары жидкостей (например, бензина на АЗС) или горючая пыль (на мукомольных заводах, элеваторах, в текстильных цехах), такая искра может стать причиной мощного взрыва или пожара. Поэтому при перекачке горючих жидкостей цистерны и трубопроводы обязательно заземляют.

• Повреждение электронных компонентов: Разряд статического электричества (ESD - Electrostatic Discharge) губителен для чувствительной микроэлектроники. Даже небольшой, неощутимый для человека разряд может повредить или полностью вывести из строя микросхемы, транзисторы и другие компоненты. Именно поэтому при сборке и ремонте компьютеров и другой электроники используют антистатические браслеты и коврики.

• Нарушение технологических процессов: В полиграфической, текстильной и бумажной промышленности накопление статических зарядов приводит к тому, что листы бумаги, нити или полотна ткани слипаются, отталкиваются, неправильно наматываются на валы. Это вызывает брак продукции и остановку оборудования.

• Бытовые неудобства и притяжение пыли: В повседневной жизни статическое электричество вызывает неприятные щелчки и удары током при прикосновении к металлическим предметам (например, дверной ручке), "прилипание" синтетической одежды к телу. Также заряженные поверхности (например, экраны телевизоров и мониторов) активно притягивают к себе пыль.

Ответ: Вредные свойства статического электричества проявляются в виде опасности возникновения пожаров и взрывов из-за искровых разрядов, повреждения чувствительной электроники, нарушения технологических процессов на производстве и бытовых неудобств, таких как притяжение пыли и неприятные удары током.

4. Между ремнем и шкивом возникает электризация из-за явления, называемого электризацией трением (или трибоэлектрическим эффектом).

Процесс происходит следующим образом:

1. Контакт различных материалов: Ремень и шкив обычно изготавливаются из разных материалов (например, ремень из резины или полимера, а шкив из металла). Материалы отличаются по своей способности удерживать электроны.

2. Передача электронов: При плотном контакте и трении ремня о поверхность вращающегося шкива происходит переход электронов от одного тела к другому. Материал с меньшей работой выхода электронов (то есть тот, который "слабее" держит свои электроны) отдает их материалу с большей работой выхода.

3. Накопление заряда: В результате один объект (например, ремень) приобретает избыточный положительный заряд, а другой (шкив) — равный по величине отрицательный заряд. Поскольку ремень часто является диэлектриком (плохо проводит ток), а шкив может быть изолирован от "земли" через подшипники, накопленные заряды не могут быстро стечь (нейтрализоваться). Постоянное движение ремня приводит к непрерывному разделению и накоплению зарядов.

Это накопление статического заряда может достигать высоких значений, создавая риск искрового разряда, что особенно опасно во взрывоопасных средах.

Ответ: Электризация между ремнем и шкивом возникает из-за трения и контакта двух различных материалов. В процессе трения электроны переходят с одного тела на другое, в результате чего ремень и шкив приобретают разноименные электрические заряды, которые накапливаются из-за непрерывного движения и плохой электропроводности.

4. Почему между ремнём и шкивом, на который он надет, во время работы иногда проскакивает искра?

4. Решение

Появление искры между ремнём и шкивом во время работы объясняется явлением электризации трением, также известным как трибоэлектрический эффект. Процесс можно разбить на несколько этапов:

1. Электризация при трении. Ремень и шкив, как правило, изготовлены из разных материалов (например, ремень из резины, а шкив из металла). При движении ремня по шкиву происходит их интенсивное соприкосновение и трение. В результате этого взаимодействия электроны переходят с поверхности одного тела на поверхность другого. Одно тело (например, шкив) теряет электроны и заряжается положительно, а другое (ремень) приобретает такое же количество электронов и заряжается отрицательно.

2. Накопление заряда. Материал ремня обычно является диэлектриком (изолятором), что препятствует свободному стеканию с него электрического заряда. В результате заряд накапливается на поверхности ремня. Металлический шкив, соединенный с остальным механизмом, также может накапливать заряд, особенно если вся установка плохо заземлена.

3. Создание электрического поля. Накопление разноимённых зарядов на ремне и шкиве приводит к возникновению между ними сильного электрического поля и большой разности потенциалов (напряжения).

4. Электрический пробой воздуха. Воздух, находящийся в зазоре между ремнём и шкивом, является диэлектриком. Однако любой диэлектрик имеет предел электрической прочности — максимальную напряжённость поля, которую он может выдержать, не становясь проводником. Когда напряжённость электрического поля, созданного зарядами, превышает электрическую прочность воздуха (для сухого воздуха при атмосферном давлении это значение составляет около $3 \cdot 10^6$ В/м), происходит его электрический пробой. Молекулы воздуха ионизируются, и он на короткое время становится проводящей средой.

5. Искра. Электрический пробой воздуха представляет собой быстрый электрический разряд, в ходе которого накопленные заряды нейтрализуются. Этот разряд сопровождается ярким свечением ионизированного газа, которое мы и наблюдаем как искру.

Ответ: Искра между ремнём и шкивом возникает в результате электризации трением. При движении ремня по шкиву на их поверхностях накапливаются противоположные по знаку статические электрические заряды. Когда величина этих зарядов и, соответственно, разность потенциалов между ремнем и шкивом достигают критического значения, происходит электрический пробой воздуха в зазоре между ними, который наблюдается в виде искры.

1. Почему при переливании бензина из одной цистерны в другую он может воспламениться? Какие специальные меры предосторожности необходимо предпринять?

Почему при переливании бензина из одной цистерны в другую он может воспламениться?

Бензин является диэлектриком, то есть веществом, которое плохо проводит электрический ток. При его движении по трубам и шлангам, а также при трении о воздух и стенки емкостей, происходит электризация — разделение и накопление электрических зарядов на поверхностях. Этот процесс называется трибоэлектрическим эффектом. Накапливающийся статический заряд создает большую разность потенциалов между частями оборудования (например, цистерной и заправочным пистолетом) или между оборудованием и землей. Когда эта разность потенциалов достигает пробивного значения для воздуха, происходит электрический разряд в виде искры. Пары бензина очень летучи и образуют с воздухом легковоспламеняющуюся и взрывоопасную смесь. Энергии искры статического электричества достаточно, чтобы поджечь эту смесь, что приведет к пожару или взрыву.

Ответ: При переливании бензин электризуется вследствие трения, что приводит к накоплению статического электричества. Возникающий при этом искровой разряд может воспламенить пары бензина.

Какие специальные меры предосторожности необходимо предпринять?

Основной мерой предосторожности является предотвращение накопления статических зарядов путем их отвода в землю. Для этого необходимо выполнять комплекс мер. Во-первых, это заземление: перед началом перекачки обе цистерны (и подающая, и принимающая), насосное оборудование и шланги должны быть надежно соединены с контуром заземления. Во-вторых, автоцистерны оснащаются металлической цепью, которая касается земли и обеспечивает постоянный отвод заряда. В-третьих, применяется электрическое соединение (бондинг): корпус цистерны и наконечник шланга соединяют проводником перед началом слива, чтобы выровнять их потенциалы и предотвратить искрение. Дополнительно могут использоваться шланги и спецодежда из антистатических материалов, а также контролируется (ограничивается) скорость потока жидкости для уменьшения электризации.

Ответ: Главная мера предосторожности — это обязательное заземление обеих цистерн, насосов и шлангов перед началом переливания для отвода статического электричества. Также необходимо использовать заземляющие цепи на автоцистернах и соединять проводником корпуса оборудования перед контактом.

2. В установках для улавливания пыли пропускают воздух через металлические трубы, по оси которых протягивается металлическая проволока. Проволока имеет отрицательный заряд, а труба — положительный. Между ними создаётся сильное электрическое поле. Как будут вести себя пылинки:

а) незаряженные;

б) заряженные положительно или отрицательно?

В данной установке между положительно заряженной трубой и отрицательно заряженной проволокой создается сильное неоднородное электрическое поле. Силовые линии поля направлены от стенок трубы к центральной проволоке. Поведение пылинок будет зависеть от того, имеют ли они электрический заряд.

а) незаряженные;

Когда незаряженная пылинка попадает в электрическое поле, она поляризуется. Это означает, что под действием поля заряды внутри пылинки перераспределяются: сторона, обращенная к отрицательной проволоке, приобретает избыточный положительный заряд, а противоположная сторона — избыточный отрицательный. Поскольку поле является неоднородным (оно значительно сильнее вблизи тонкой проволоки, чем у стенок трубы), сила притяжения, действующая на положительную сторону пылинки, оказывается больше силы отталкивания, действующей на ее отрицательную сторону. В результате возникает результирующая сила, которая втягивает нейтральную пылинку в область наиболее сильного поля, то есть к центральной проволоке.

Ответ: Незаряженные пылинки будут притягиваться к центральной отрицательно заряженной проволоке.

б) заряженные положительно или отрицательно?

На заряженную частицу в электрическом поле действует сила Кулона $F = qE$, направление которой зависит от знака заряда $q$. Электрическое поле $\vec{E}$ направлено от положительной трубы к отрицательной проволоке.

Положительно заряженные пылинки ($q > 0$): на них действует сила, сонаправленная с вектором напряженности поля $\vec{E}$. Таким образом, они будут двигаться по направлению к центральной отрицательно заряженной проволоке.

Отрицательно заряженные пылинки ($q < 0$): на них действует сила, направленная в сторону, противоположную вектору напряженности поля $\vec{E}$. Следовательно, они будут отталкиваться от отрицательной проволоки и притягиваться к положительно заряженным стенкам трубы.

Ответ: Положительно заряженные пылинки будут притягиваться к центральной отрицательной проволоке, а отрицательно заряженные пылинки — к положительно заряженным стенкам трубы.

УПРАЖНЕНИЕ 24

1. Почему при заправке самолёта горючим и самолёт, и бензозаправщик заземляют?

1. Почему при заправке самолёта горючим и самолёт, и бензозаправщик заземляют?

Процесс заправки самолёта горючим связан с высоким риском возникновения пожара или взрыва из-за статического электричества. Чтобы предотвратить это, и самолёт, и бензозаправщик в обязательном порядке заземляют. Это делается по нескольким ключевым причинам.

Во-первых, происходит накопление статического заряда. Статическое электричество возникает в результате трения. При движении горючего (авиационного керосина) по шлангам и трубам происходит его трение о стенки. Поскольку горючее является диэлектриком, в результате этого трения (так называемый трибоэлектрический эффект) на нём и на оборудовании заправщика накапливаются электрические заряды. Кроме того, сам самолёт накапливает значительный статический заряд во время полёта из-за трения корпуса о частицы в атмосфере (пыль, кристаллы льда).

Во-вторых, возникает опасная разность потенциалов. И самолёт, и бензозаправщик изолированы от земли своими резиновыми шасси и шинами. Из-за этой изоляции накопленный заряд не может "стечь" в землю. В результате между корпусом самолёта, цистерной бензозаправщика и землёй возникает большая разность электрических потенциалов, которая может достигать десятков тысяч вольт.

В-третьих, существует риск искрового разряда. Если между двумя объектами с большой разностью потенциалов (например, между заправочным пистолетом и горловиной бака самолёта) расстояние становится достаточно малым, может произойти электрический разряд в виде искры. В зоне заправки всегда присутствуют легковоспламеняющиеся пары горючего. Энергии такой искры более чем достаточно, чтобы воспламенить эти пары и вызвать катастрофический пожар или взрыв.

Именно для предотвращения этой цепи событий и применяется заземление. Заземление — это соединение объекта с землёй при помощи проводника. Земля действует как огромный резервуар, который может принять или отдать практически любое количество заряда, нейтрализуя заряженный объект. Подключая и самолёт, и бензозаправщик к контуру заземления, с них снимают накопленный статический заряд. Это выравнивает их электрический потенциал с потенциалом земли (который условно принимается за ноль), что предотвращает возникновение опасной разности потенциалов и, следовательно, исключает возможность появления искры. Часто, в дополнение к заземлению, самолёт и заправщик соединяют проводником напрямую друг с другом, чтобы гарантировать отсутствие разности потенциалов между ними.

Ответ: Самолёт и бензозаправщик заземляют для того, чтобы безопасно отвести в землю статический заряд, который накапливается на них в результате трения (топлива о шланги, самолёта о воздух). Это необходимо для предотвращения возникновения разности потенциалов между объектами, которая могла бы привести к появлению искры. В атмосфере, насыщенной парами горючего, такая искра вызвала бы пожар или взрыв.

2. Почему нити прилипают к гребням чесальных машин, применяющихся в текстильной промышленности, и при этом путаются и часто рвутся? Зачем в таких цехах искусственно создают повышенную влажность?

Почему нити прилипают к гребням чесальных машин, путаются и часто рвутся?

Это явление объясняется электризацией тел при трении. В процессе чесания нити (из хлопка, шерсти или синтетических материалов) постоянно трутся о гребни чесальной машины. Поскольку и нити, и гребни сделаны из различных материалов, при их трении происходит перераспределение электрических зарядов — электроны переходят с одного тела на другое. В результате и нити, и гребни машины приобретают электрические заряды, как правило, противоположных знаков. Это явление называется трибоэлектрическим эффектом.

Согласно закону Кулона, разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу. Возникшие силы электростатического притяжения заставляют легкие нити «прилипать» к частям станка. Кроме того, отдельные наэлектризованные нити могут притягиваться и отталкиваться друг от друга, а также притягивать частички пыли из воздуха, что приводит к их спутыванию. Силы притяжения к машине и спутывание увеличивают натяжение нитей в процессе работы станка. Когда это натяжение превышает предел прочности материала, нити рвутся.

Ответ: Нити прилипают к гребням, путаются и рвутся из-за накопления на них и на частях машины статических электрических зарядов в результате трения. Возникающие силы электростатического притяжения являются причиной этих нежелательных эффектов.

Зачем в таких цехах искусственно создают повышенную влажность?

Для борьбы с негативными последствиями статического электричества в цехах текстильной промышленности искусственно поддерживают повышенную влажность воздуха. Причина заключается в том, что влажный воздух является лучшим проводником электричества, чем сухой. Молекулы воды ($H_2O$), содержащиеся в воздухе, являются полярными. Они оседают на поверхностях нитей и деталей машин, образуя тончайшую проводящую пленку.

Эта пленка влаги способствует «стеканию» статических зарядов с поверхностей. Иными словами, накопленный электрический заряд нейтрализуется, уходя в окружающую среду через проводящий слой влажного воздуха. Таким образом, предотвращается накопление значительных зарядов, и силы электростатического взаимодействия между нитями и станком существенно ослабевают.

В результате нити перестают сильно прилипать к гребням, меньше путаются и рвутся. Это позволяет увеличить скорость работы оборудования, снизить количество брака и повысить общее качество продукции.

Ответ: Повышенную влажность создают для того, чтобы сделать воздух и поверхности объектов более электропроводными. Это обеспечивает стекание статических зарядов, предотвращая электризацию нитей и оборудования.

3. Почему ворсинки и пыль прилипают к одежде при чистке её щёткой? Почему, если щётка влажная, это явление не происходит?

Почему ворсинки и пыль прилипают к одежде при чистке её щёткой?

При чистке одежды сухой щёткой возникает трение между её щетиной и тканью. В результате этого процесса, называемого электризацией трением, и одежда, и щётка приобретают статические электрические заряды. Заряженный участок одежды создаёт вокруг себя электростатическое поле. Это поле притягивает к себе лёгкие нейтральные частицы, такие как пылинки и ворсинки. В этих частицах под действием поля происходит явление электростатической индукции (поляризации) — перераспределение внутренних зарядов, из-за чего они начинают притягиваться к заряженной поверхности одежды. Таким образом, пыль не счищается, а наоборот, ещё сильнее прилипает к наэлектризованной ткани.

Ответ: Ворсинки и пыль прилипают к одежде из-за её электризации в результате трения о щётку. Накопленный статический заряд создаёт электрическое поле, которое притягивает мелкие частицы.

Почему, если щётка влажная, это явление не происходит?

Вода, особенно водопроводная, содержащая растворённые соли, является хорошим проводником электрического тока. Когда щётка влажная, тонкий слой воды на её щетинках и на поверхности одежды создаёт проводящую среду. Любой электрический заряд, который мог бы возникнуть из-за трения, не накапливается на поверхности ткани, а почти мгновенно "стекает" (нейтрализуется) через этот проводящий слой воды. Поскольку одежда не приобретает значительного статического заряда, она не создаёт электрического поля, способного притягивать пылинки и ворсинки. В результате чистка становится более эффективной, так как пыль удаляется механически, не притягиваясь обратно к одежде.

Ответ: Влажная щётка предотвращает накопление статического электричества, так как вода является проводником и обеспечивает стекание возникающих зарядов. В результате одежда не электризуется и не притягивает к себе пыль и ворсинки.